ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Список принятых сокращений 2
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Обзор работ по современному состоянию исследования органических солнечных
батарей 7
1.1 Материалы для органических солнечных батарей 7
1.2 Технологии изготовления солнечных батарей 11
1.3 Основные принципы работы органических солнечных батарей 12
1.4 Структура органических солнечных батарей 19
1.4.1 Однослойные структур ы 19
1.4.2 Двухслойные структуры 20
1.4.3 Объёмный гетеропереход 22
Заключение к Главе 1 24
2. Обзор работ по современному состоянию исследования органических светоизлучающих
диодов 26
2.1 Органические светоизлучающие диоды 26
2.2 Методы определения подвижности НЗ в ОСИД 33
2.3 Характер транспорта носителей заряда в неорганических полупроводниках на
основе Alq3 и ЯК-203 36
Заключение к Главе 2 39
3 Экспериментальные измерения свойств органических материалов 41
3.1 Описание экспериментальной установки для измерения подвижности НЗ 41
3.1.1 Структурная схема 41
3.1.2 Электрическая схема 42
3.2 Методика измерения подвижности НЗ 44
3.3 Результаты измерений подвижности НЗ в ОСИД на основе Alq3 и Як-203 46
3.4 Результаты измерений подвижности НЗ в ОСИД на основе ЯК-203 на 4 и 6 пикселях
образца 2018 года 50
Заключение к Главе 3 53
Заключение 54
Список использованных источников 56
Регламент поиска 62
Выводы патентного исследования 65
Купить

В последние годы для решения ряда фундаментальных и прикладных задач физики, а также конструирования новых приборов все шире используются органические материалы, которые все чаще находят применение в нетрадиционных для себя сферах. Например, в физике полупроводников и микроэлектронике ведутся интенсивные исследования, направленные на расширения круга полупроводниковых материалов с новыми свойствами, в частности на развитие такого направления, как молекулярная электроника. Одной из разновидностей полупроводниковых материалов являются органические (молекулярные) полупроводники - широкий класс веществ, относящихся по типу связи к молекулярным соединениям и обладающих заметной электропроводностью. Работы в данном направлении стимулируются успехами в синтезе органических материалов с заданными хорошо воспроизводимыми параметрами, в частности, полимеров, в силу их многообразия, технологичности и относительной дешевизны. Специальные методы синтеза или последующей модификации позволяют варьировать проводимость полимеров в широком диапазоне от величин, характерных для диэлектриков (ниже 10-10 См/см), до значений металлической проводимости (свыше 1 См/см). Такие возможности стимулируют все более широкое использование полимеров в электронике, не только в качестве изоляторов, но и для формирования функциональных элементов, таких как резисторы, светодиоды, транзисторы, солнечные элементы, аккумуляторные батарее, минидисплеи и т.п. Важность развития данного научного направления была подтверждена присуждением Нобелевской премии по химии 2000 А. Хиигеру, А. МакДиармиду и Х. Ширакава за открытие и создание проводящих полимеров.
В современном мире существует глобальная проблема в разработке новых источников энергии. Органические ресурсы, такие как нефть, уголь и газ исчерпаются через несколько десятков лет. Наиболее перспективными из всех доступных источников энергии являются ядерная энергия и энергия Солнца. Остановимся на гелиоэнергетике. На поверхность Земли от солнца поступает огромное количество энергии, которое во многом превышает глобальные потребности человечества.
В настоящее время, энергию преобразуют с помощью неорганических солнечных батарей. Основными типами используемых солнечных батарей (СБ) являются кремниевые солнечные батареи. Их эффективность составляет около 30%, срок службы около 30 лет. Но основная проблема у таких батарей - это их стоимость. В природе кремний распространён в виде оксида кремния - песка. Процесс получения чистого монокристаллического кремния очень дорогостоящий т.к. требует больших энергозатрат. Существуют СБ на основе поликристалла кремния, процесс получения которых более дешёвый, однако их эффективность в районе 20 процентов. Поэтому учёные ищут материалы, процесс получения которых был бы дешевле.
Одними из перспективных материалов для использования в СБ являются органические материалы, основанные на полимерах или на органических молекулах. Для таких материалов требуется: 1) высокое поглощение света, т.к. при высоком коэффициенте поглощения можно изготавливать тонкоплёночные материалы, следовательно, стоимость таких материалов мала; 2) иметь полупроводниковые свойства. Полимерные плёнки удовлетворяют этим требованиям, при этом они обладают механической гибкостью и их можно изготавливать методом рулонной печати.
Хотя эффективность органических солнечных батарей (ОСБ) на сегодняшний момент невелика (~15%), эта цифра стремительно растёт. Другим ключевым моментом, помимо эффективности, в использовании органических материалов в качестве солнечных батарей является их малый срок службы, поскольку наличие окружающей среды (кислорода, паров воды) приводит к деградации материала.
Современная ОСБ представляет собой смесь двух органических полупроводников, т.н. объёмный гетеропереход (ОГП), помещенных между электродами. Наиболее удачная композиция - это полимер с малой шириной запрещенной зоны p типа, который выступает в качестве донора, а второй, это фуллерен n типа, или его производные, которые выступают в качестве акцептора. Однако, существуют и нефуллереновые композиции [1, 2].
ОСБ обладают несколькими важными электрическими и структурными характеристиками, которые отличают их от кремниевых аналогов [3]. При поглощении света в органических полупроводниках образуются связанные электрон-дырочные пары - экситоны. Для того чтобы разорвать экситон, необходимо приложить дополнительную энергию. Разрыв экситона происходит на интерфейсе, т.е. когда есть два типа материала (донорный и акцепторный). Особенностью органических материалов является то, что образовавшийся экситон способен двигаться на очень маленькое расстояние (~10 нм). Поэтому использование ОГП, т.е. взаимопроникающей сетки донора и акцептора, позволяет увеличить вероятность диссоциации экситона над его рекомбинацией. Но процесс получения правильной морфологии смеси очень чувствителен к исходным параметрам материалов и технологиям получения смеси.
Таким образом, исследование свойств органических полупроводников таких, как подвижность НЗ, отвечающих за быстродействие органических устройств, а также фоточувствительных свойств органических материалов является важной задачей для создания эффективных органических солнечных батарей.
Цель магистерской работы
Измерение подвижностей носителей заряда в структурах органических полупроводников
В связи с поставленной целью, задачами являются:
• Обзор литературы по современному состоянию исследования
органических светоизлучающих диодов (ОСИД) и ОСБ;
• знакомство с электрофизическими и оптическими свойствами
органических полупроводников.
• экспериментальные измерения параметров органических
полупроводников:
• подвижности НЗ методом переходной электролюминесценции;
• обсуждение результатов;
• оформление магистерской диссертации.
Научное положение, выносимое на защиту
Измерения подвижности носителей заряда в ОСИД-структурах методом ПЭЛ показали различие в соотношении подвижностей быстрых и медленных носителей заряда, определяющих кинетику люминесценции, так для Alq3 отношение подвижностей лежит в диапазоне 1.4-1.8 раза, а для ЯК-203 отношение значений подвижностей носителей заряда лежит в диапазоне 4-8 раз.
Достоверность защищаемого положения и других результатов
Достоверность защищаемого положения подтверждается известными методиками измерения подвижности НЗ методом ПЭЛ, а также качественным совпадением с известными данными из работ других авторов.
Новизна полученных результатов
Проведены экспериментальные измерения подвижности НЗ в образце, электронный слой которого состоял из материала Як-203.
Практическая значимость
Измерения подвижности НЗ в органических полупроводниках важны для оценки возможности практического применения оптоэлектронных структур на их основе.
Публикации
Результаты работы изложены в 2 публикациях, в трудах и тезисах конференций.
Структура и объём работы
Магистерская работа изложена на 64 страницах машинописного текста, включающих 25 рисунков и 6 таблиц. Работа состоит из введения, трёх глав, заключения, приложения А и списка литературы, содержащего 36 библиографических ссылок.

Купить